球柵陣列（BGA）封裝是目前FPGA和微處理器等各種高度先進(jìn)和復(fù)雜的半導(dǎo)體器件采用的標(biāo)準(zhǔn)封裝類(lèi)型。用于嵌入式設(shè)計(jì)的BGA封裝技術(shù)在跟隨芯片制造商的技術(shù)發(fā)展而不斷進(jìn)步，這類(lèi)封裝一般分成標(biāo)準(zhǔn)和微型BGA兩種。這兩種類(lèi)型封裝都要應(yīng)對(duì)數(shù)量越來(lái)越多的I/O挑戰(zhàn)，這意味著信號(hào)迂回布線（Escape routing）越來(lái)越困難，即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的PCB板設(shè)計(jì)師和嵌入式設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)也極具挑戰(zhàn)性。

嵌入式設(shè)計(jì)師的首要任務(wù)是開(kāi)發(fā)合適的扇出策略，以方便PCB板的制造。在選擇正確的扇出/布線策略時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素有：球間距，觸點(diǎn)直徑，I/O引腳數(shù)量，過(guò)孔類(lèi)型，焊盤(pán)尺寸，走線寬度和間距，以及從BGA迂回出來(lái)所需的層數(shù)。

PCB板設(shè)計(jì)師和嵌入式設(shè)計(jì)師總是要求使用最少的PCB板層數(shù)。為了降低成本，層數(shù)需要優(yōu)化。但有時(shí)PCB板設(shè)計(jì)師必須依賴某個(gè)層數(shù)，比如為了抑制噪聲，實(shí)際PCB板布線層必須夾在兩個(gè)地平面層之間。

圖1：PCB板設(shè)計(jì)_Dog bone型扇出

除了基于特定BGA的嵌入式設(shè)計(jì)固有的這些設(shè)計(jì)因素外，設(shè)計(jì)的主要部分還包括嵌入式設(shè)計(jì)師從BGA正確迂回信號(hào)走線所必須采取的兩種基本方法：Dog bone型扇出（圖1）和焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔（圖2）。Dog bone型扇出用于球間距為0.5mm及以上的BGA，而焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔用于球間距在0.5mm以下（也稱為超精細(xì)間距）的BGA和微型BGA。間距定義為BGA的某個(gè)球中心與相鄰球中心之間的距離。

圖2：PCB板設(shè)計(jì)_焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔扇出方法

了解與這些BGA信號(hào)布線技術(shù)有關(guān)的一些基本術(shù)語(yǔ)很重要。其中術(shù)語(yǔ)“過(guò)孔”是最重要的。過(guò)孔是指帶電鍍孔的焊盤(pán)，這個(gè)電鍍孔用于連接某個(gè)PCB層上的銅線和另外一個(gè)層上的銅線。高密度多層PCB板可能用到盲孔或埋孔，也稱為微型過(guò)孔。盲孔只有一面可見(jiàn)，埋孔兩面都不可見(jiàn)。

Dog bone型扇出

Dog bone型BGA扇出法是分成4個(gè)象限，在BGA中間則留出一個(gè)較寬的通道，用于布設(shè)從內(nèi)部出來(lái)的多條走線。分解來(lái)自BGA的信號(hào)并將它們連接到其它電路涉及到多個(gè)關(guān)鍵步驟。

第一步是確定BGA扇出所需的過(guò)孔尺寸。

過(guò)孔尺寸取決于許多因素：器件間距，PCB厚度，以及需要從過(guò)孔的一個(gè)區(qū)域或一個(gè)周界布到另一個(gè)區(qū)域或另一個(gè)周界的走線數(shù)量。圖3顯示了與BGA有關(guān)的三個(gè)不同周界。周界是一個(gè)多邊形邊界，定義為圍繞BGA球的一個(gè)矩陣或方形。

圖3：PCB板設(shè)計(jì)_與BGA有關(guān)的三個(gè)不同周界（Perimeter： 周界）

經(jīng)過(guò)第一行（水平）和對(duì)應(yīng)第一列（垂直）的虛線組成的是第一個(gè)周界，然后依次是第二個(gè)和第三個(gè)周界。設(shè)計(jì)師從BGA最外的周界開(kāi)始布線，然后不斷向里走，直到BGA球最里的周界。過(guò)孔尺寸用觸點(diǎn)直徑和球間距計(jì)算，如表1所示。觸點(diǎn)直徑也是每個(gè)BGA球的焊盤(pán)直徑。

表1：PCB板設(shè)計(jì)_使用觸點(diǎn)直徑和球間距計(jì)算過(guò)孔尺寸

（注：Ball pitch： 球間距；Land Diameter： 觸點(diǎn)直徑；conductor （Line） and space width（in μm）： 導(dǎo)線（走線）和空間寬度（μm內(nèi)）；Assumes both are the same： 假定兩者都相同）

1 Line per channel： 每個(gè)通道的1條走線

2 lines per channel： 每個(gè)通道2條走線

第二步：定義從BGA進(jìn)入電路板內(nèi)層的走線寬度。

一旦完成了Dog bone型扇出，并且確定了特定的過(guò)孔焊盤(pán)尺寸之后，就是定義從BGA進(jìn)入電路板內(nèi)層的走線寬度。確認(rèn)走線寬度時(shí)要考慮許多因素。表1顯示了走線寬度。走線之間要求的最小空間限定了BGA迂回布線空間。重要的是要知道，減小走線之間的空間將增加電路板制造成本。

兩個(gè)過(guò)孔之間的區(qū)域被稱為走線通道。相鄰過(guò)孔焊盤(pán)之間的通道面積是信號(hào)布線必須經(jīng)過(guò)的最小面積。表1用來(lái)計(jì)算可以經(jīng)過(guò)這個(gè)區(qū)域布線的走線數(shù)量。

如表1所示，實(shí)施BGA信號(hào)迂回布線時(shí)必須滿足走線寬度和走線間最小空間要求。相鄰過(guò)孔焊盤(pán)之間的通道面積是信號(hào)布線必須經(jīng)過(guò)的最小面積。

通道面積CA=BGA間距-d，其中d是過(guò)孔焊盤(pán)直徑。

可以經(jīng)過(guò)這個(gè)區(qū)域布線的走線數(shù)量用表2進(jìn)行計(jì)算。

表2：PCB板設(shè)計(jì)_計(jì)算經(jīng)過(guò)給定通道面積的走線數(shù)量

（注：Number of Traces： 走線數(shù)量；Formula： 公式；Space width： 空間寬度；Trace width： 走線寬度）

許多走線可以通過(guò)不同通道進(jìn)行布線。例如，如果BGA間距不是十分精細(xì)，可以布1條或兩條走線，有時(shí)可以3條。比如對(duì)于1mm間距的BGA來(lái)說(shuō)，就可以布多條走線。然而，借助今天的先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)，大多數(shù)時(shí)候一個(gè)通道只布一條走線。

一旦嵌入式設(shè)計(jì)師確定了走線寬度和間距、經(jīng)過(guò)一個(gè)通道布線的走線數(shù)量以及用于BGA版圖設(shè)計(jì)的過(guò)孔類(lèi)型，就能估算出所需的PCB層數(shù)。使用小于最大值的I/O引腳數(shù)量可以減少層數(shù)。如果允許在第一層和第二層布線，那么兩個(gè)外周界的布線就無(wú)需使用過(guò)孔。其它兩個(gè)周界可以在底層布線。

第三步：設(shè)計(jì)師需要根據(jù)要求保持阻抗匹配，并確定完全分解BGA信號(hào)要使用的布線層數(shù)量。

接下來(lái)使用PCB板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈的布線。

剩下的內(nèi)部參數(shù)則分布在內(nèi)部布線層上。根據(jù)每個(gè)通道內(nèi)的內(nèi)部布線數(shù)量，需要公正地估計(jì)完成整個(gè)BGA布線所需的層數(shù)。

等外圈布線完了后，再布下一圈。圖4a和圖4b中的一組圖描述了PCB設(shè)計(jì)師如何布線不同的BGA圈，從最外面開(kāi)始，一直到中心。第一張圖顯示了第一和第二個(gè)內(nèi)圈是如何布線的。接著按同樣的方法布線后續(xù)的內(nèi)圈，直到完成全部的BGA布線。

圖4a和4b：PCB板設(shè)計(jì)_如何布線不同的BGA圈，從最外層開(kāi)始，直到中心

在需要考慮電磁干擾（EMI）的一些設(shè)計(jì)中，外層或頂層是不能用于布線的，即使外圈也不行。在這種情況下，頂層用作地平面。EMI包括了一個(gè)產(chǎn)品對(duì)于外界電磁場(chǎng)的易感性，而外界電磁場(chǎng)一般通過(guò)耦合或輻射方式從一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入另一個(gè)產(chǎn)品，并常常導(dǎo)致后一個(gè)產(chǎn)品通不過(guò)一致性測(cè)試。

產(chǎn)品只有滿足以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能認(rèn)為符合電磁兼容規(guī)范要求：

1、不干擾其它系統(tǒng)

2、不受其它系統(tǒng)輻射的影響

3、不會(huì)干擾到本身

為了防止產(chǎn)品收發(fā)干擾信號(hào)，建議對(duì)產(chǎn)品采取屏蔽措施。屏蔽一般是指用金屬外殼完全包裹住整個(gè)電子產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分。然而，在大多數(shù)情況下將外層用地平面填充也可以起到屏蔽的作用，因?yàn)樗芪芰浚畲蟪潭鹊販p小干擾。

用于超細(xì)間距的焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔技術(shù)

當(dāng)使用焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔技術(shù)進(jìn)行BGA信號(hào)逃逸和布線時(shí)，過(guò)孔直接放置在BGA焊盤(pán)上，并填充導(dǎo)電材料（通常是銀），并提供平坦的表面。

本文使用的微型BGA焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔扇出例子采用的是0.4mm球或引線間距，PCB是18層，包括8個(gè)信號(hào)布線層。BGA布線通常要求更多的層數(shù)。但在這個(gè)例子中，層數(shù)不是問(wèn)題，因?yàn)橹挥昧松倭康腂GA球。關(guān)鍵問(wèn)題仍然是微型BGA的0.4mm窄間距，并且頂層除了扇出外不允許布線。目標(biāo)是既做到扇出微型BGA，又不負(fù)面影響PCB的制造。

圖5顯示了BGA器件制造商提供的外形圖。從圖中可以看到，推薦的焊盤(pán)尺寸是0.3mm（12mil），而引腳間距是0.4mm（16mil）。由于焊盤(pán)之間的間距特別小，因此不可能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的Dog bone型扇出圖案。即使小尺寸的過(guò)孔也無(wú)法用于Dog bone型扇出策略。這里的小尺寸過(guò)孔意思是6mil的鉆孔和10mil的環(huán)形焊盤(pán)。另外一個(gè)重要的機(jī)械性限制是電路板厚度，本例是93mil。

圖5：PCB板設(shè)計(jì)_BGA器件制造商提供的外形圖

在這種情況下，最方便的解決方案是使用焊盤(pán)內(nèi)微過(guò)孔。然而，微過(guò)孔尺寸不能超過(guò)3mil。但93mil的電路板厚度是一個(gè)限制因素。另外一個(gè)選項(xiàng)是盲孔和埋孔技術(shù)。但這些選項(xiàng)將限制制造技術(shù)的選擇，并且會(huì)增加成本。

為了能夠選擇不同的制造公司，93mil厚的電路板中鉆孔尺寸不能小于6mil，走線寬度不能小于4mil。否則只有少數(shù)高端的電路板制造商才能接手這個(gè)項(xiàng)目，而且價(jià)格不菲。圖6顯示了與本例有關(guān)的BGA外形圖。

圖6：PCB板設(shè)計(jì)_BGA外形圖

這種扇出方法避免了使用高端技術(shù)，而且不會(huì)影響信號(hào)完整性。BGA引腳分成內(nèi)部引腳和外部引腳兩部分。

圖6所示的扇出方法避免了使用高端技術(shù)，而且不影響信號(hào)完整性。BGA引腳被分成內(nèi)部和外部引腳兩個(gè)部分。焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔用于內(nèi)部，外部引腳在0.5mm柵格上扇出。圖7a顯示的是頂層，圖7b顯示的是頂層和內(nèi)部布線層。

圖7a和7b：PCB板設(shè)計(jì)_頂層和內(nèi)部布線層

焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔用于內(nèi)部，而外部引腳在0.5mm柵格上扇出。圖7a顯示的是頂層；圖7b顯示的是頂層和內(nèi)部布線層。

由于BGA焊盤(pán)尺寸是0.3mm（12mil），間距是0.4mm（16mil），因此焊盤(pán)內(nèi)使用了6/10mil的過(guò)孔（孔/環(huán)尺寸）。外部擴(kuò)展扇出使用相同的過(guò)孔。在內(nèi)部，過(guò)孔之間的間隙是6mil，這是標(biāo)準(zhǔn)尺寸，不會(huì)引起制造問(wèn)題。外部的過(guò)孔間隙是10mil。這個(gè)間隙可以走一條3mil的線，線與過(guò)孔距離是3.34mil。這種特別的策略允許從0.4mm間距微型BGA出來(lái)的所有信號(hào)都能成功扇出，而且不會(huì)提出任何特殊的制造要求。

不管是使用Dog bone還是焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔方法，基本步驟是相同的，也就是先要確定正確的通道空間，包括定義過(guò)孔和焊盤(pán)的尺寸、走線寬度、阻抗要求和疊層。然而區(qū)別在于過(guò)孔安排和所用的過(guò)孔組。

推薦使用深度最多6層的盲孔/埋孔配置。層數(shù)再多會(huì)引起制造良率問(wèn)題。優(yōu)選技術(shù)是使用交叉過(guò)孔或堆疊過(guò)孔，如圖8所示。交叉過(guò)孔允許更加精確的注冊(cè)公差，因?yàn)樗鼈儾幌穸询B過(guò)孔那樣強(qiáng)制要求完美對(duì)齊。

圖8：PCB板設(shè)計(jì)_交叉過(guò)孔或堆疊過(guò)孔

交叉過(guò)孔允許更大的注冊(cè)公差，因?yàn)樗鼈儾幌穸询B過(guò)孔那樣強(qiáng)制要求完美對(duì)齊。（IPC提供）

沒(méi)有這些步驟會(huì)出什么錯(cuò)

不管是用Dog bone還是焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔技術(shù)，可制造性和功能都是需要認(rèn)真考慮的兩個(gè)重要方面。關(guān)鍵是要知道制造工廠的制造限制。有些工廠可以制造特別嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。然而，如果產(chǎn)品準(zhǔn)備批量生產(chǎn)，成本會(huì)很高。因此設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮選用普通制造工廠特別重要。

總之，從制造角度看要考慮的關(guān)鍵因素有：

層疊

過(guò)孔－孔的大?。ㄈQ于長(zhǎng)寬比）

過(guò)孔－孔環(huán) （要求最小3mil）

過(guò)孔—堆疊（堆疊還是交叉）

銅箔到銅箔距離（推薦最小3mil）

銅箔到鉆孔距離（要求最小5mil）

用于裝配的BGA觸點(diǎn)尺寸與錫球尺寸

在可制造性和功能方面總是存在折衷考慮。因此正確分析每個(gè)方面然后做出合適的決定很關(guān)鍵。

另一方面，功能包括了信號(hào)完整性、電源分布和電磁兼容。這些可以分成以下幾個(gè)大類(lèi)：

反射和傳輸線（一條線） 關(guān)鍵是阻抗控制。阻抗由走線寬度、電介質(zhì)厚度和參考平面所控制。

反射和傳輸線（一條線） 關(guān)鍵是阻抗控制。阻抗由走線寬度、電介質(zhì)厚度和參考平面所控制。

串?dāng)_（兩條或更多條線） 相同和相鄰層上走線之間的距離是控制串?dāng)_的關(guān)鍵。每個(gè)信號(hào)層之間放置地層、將對(duì)噪聲敏感的或輻射噪聲的走線周?chē)钠帘尉€接地有助于最大限度地減小串?dāng)_。

電源分布（軌破壞） 這是電源網(wǎng)絡(luò)的電感。使電源和地平面相鄰并使用去耦電容有助于控制電源浪涌。

電磁干擾（系統(tǒng)破壞） 控制上述所有單元，同時(shí)屏蔽整個(gè)PCB或?qū)υ肼暶舾泻彤a(chǎn)生噪聲的部分有助于控制電磁干擾。

上述措施對(duì)整個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)也是正確的。然而，在BGA區(qū)域尤其正確，因?yàn)樗行盘?hào)和電源彼此靠得很近，因此極具挑戰(zhàn)性。對(duì)信號(hào)特性的正確了解有助于作出在功能方面哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有更高優(yōu)先級(jí)的決定。

在靠近BGA的層中使用大面積的接地平面有助于解決大多數(shù)信號(hào)完整性問(wèn)題。盲孔的一個(gè)最大好處是，在盲孔/埋孔中消除了分支長(zhǎng)度，這對(duì)高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)尤其重要。

本文小結(jié)

用于嵌入式設(shè)計(jì)的BGA封裝技術(shù)正在穩(wěn)步前進(jìn)，但信號(hào)迂回布線仍有很大難度，極具有挑戰(zhàn)性。在選擇正確的扇出/布線策略時(shí)需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素：球間距，觸點(diǎn)直徑，I/O引腳數(shù)量，過(guò)孔類(lèi)型，焊盤(pán)尺寸，走線寬度和間距以及疊層。遵循本文所述的一些策略可以確保產(chǎn)品具有正確的形態(tài)、裝配和功能。